混凝土空心板桥刚接拼宽设计及荷载试验

陈尧三

（华汇工程设计集团股份有限公司）

1 引言

为了有效利用尚能正常运营的老桥且有效提升桥梁的通行能力[1-2]，桥梁拼宽技术在桥梁改造中已是得到广泛应用[3]。目前，桥梁拼宽的研究主要集中在设计和承载力计算方面[4-6]，对其横向连接的研究还较少。混凝土空心板桥最主要的横向连接方式是铰缝连接，但铰缝是空心板梁桥的薄弱环节，一旦出现开裂，其性能会急剧下降，直接影响桥梁结构的横向传力特性，削弱结构整体受力性能。为提高拼宽桥梁的横向连接性能，本文以实际工程为背景，提出采用刚性连接替代铰缝，并对刚接空心板进行了设计。针对拼宽后的桥梁进行了荷载试验，以对其整体受力性能进行评估。所得结果对拼宽桥梁的设计具有指导意义。

2 工程概况

后童桥位于浙江绍兴杨渔线老路拼宽段，老桥上部结构采用2m×20m 简支先张法空心板，下部结构桥台采用肋板台。拼宽桥梁上部结构采用4 片2m×20m 简支预应力混凝土空心板。桥面连续，下部结构桥台一字台。桥墩均采用桩柱式，墩台均采用桩基础。老桥设计荷载为汽-20。为提高拼宽部分与老桥的横向联系，避免铰缝连接造成的后期病害，拼宽部分空心板采用刚性连接方式。图1 为桥梁拼宽改造的结构示意图。

3 刚接空心板设计计算

为提高混凝土空心板的受力性能，提出拼宽部分采用后张法预应力混凝土空心板，取消了传统铰缝构造，采用刚性连接，其截面形式如图2所示。

图2 刚接空心板截面形式

空心板混凝土强度等级为C50，预应力钢绞线抗拉强度标准值1860MPa。采用桥梁博士V3.6.0.桥梁分析专用有限元程序，并以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）为标准，按照A类预应力混凝土构件进行验算。单梁计算有限元模型如图3所示。

图3 单梁有限元模型

图4给出了荷载基本组合下空心板正最大弯矩和抗弯承载力。最大弯矩出现在跨中位置为2428.13kN·m，空心板最大抗弯承载力为3716.64kN·m。空心板各截面弯矩值均小于其抗弯承载力，正截面抗弯承载力满足规范要求。

图4 空心板最大弯矩及其抗力图（kN·m）

表1 和表2 进一步给出了荷载短期效应组合和长效应组合下混凝土应力值。由表可知，在正常使用极限状态下，空心板上下缘的应力在允许范围内，结构抗裂性满足规范要求。

表1 短期效应组合抗裂验算表

表2 长期效应组合抗裂验算表

持久状况的结构计算采用荷载的标准组合，空心板混凝土应力计算结果如表3 所示。由表可知，空心板上下缘混凝土应力均小于允许值。最大预应力筋拉应力1180MPa，表明结构应力满足规范要求。

表3 持久状况混凝土应力验算表

4 静载试验

4.1 计算分析

由于后童桥为简支梁桥，采用Midas Civil 中对其中1跨进行静力分析。为有效反映桥梁横向受力特点，采用梁格法建立有限元模型，两端边界条件为简支，如图5所示。

图5 桥梁有限元模型

图6为设计移动荷载作用下的弯矩包络图。由图可知，在移动荷载作用下，混凝土空心板最大弯矩为332.5kN·m，出现在简支梁跨中。

图6 移动荷载工况桥梁弯矩包络图

依据桥跨结构的活载内力包络图并结合现场试验条件，确定第2跨跨中截面为测试截面。

4.2 测点布置

在测试截面每片梁底布置1个应变测点和挠度测点，分别布置于空心板梁底缘。全桥共布置应变和挠度测点各12个，如图7和图8。为消除试验过程中环境温度变化的影响，按要求布置温度补偿应变片。竖向挠度采用全站仪观测。除跨中截面外，在简支梁两端分别布置相同数量的位移测点，用于修正试验过程中支座变形对挠度测试结果的影响。

图7 应变布置示意图（单位：cm）

图8 测试截面挠度测点布置（单位：cm）

4.3 加载工况

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011），静力试验荷载的效率系数ηq取值范围为0.95≤ηq≤1.05。

式（1）中：SS为静力试验荷载作用下，跨中最大计算弯矩，kN·m；S'为设计荷载下跨中控制截面最不利弯矩值，kN·m；μ为冲击系数值。

为保证测试截面加载效率达到规范要求，根据Midas Civil计算分析，采用4辆总重为380kN的加载车进行加载。试验车辆按跨中截面弯矩最不利位置进行布载，横桥向分为中载和偏载两个工况。如图9所示。

图9 试验荷载横桥向偏载布置（单位：cm）

各工况中试验荷载对测试截面产生的荷载效应和标准荷载效应的最大值如表4所示。

表4 荷载试验效应与设计荷载效应的对比

5 静载试验结果

5.1 应变

图10 是两种工况下各混凝土空心板梁底应变理论值和实测值的对比。由图可知，无论是中载还是偏载工况，空心板梁应变分布与荷载作用形式较为吻合，各梁应变变化平顺，在拼宽处未出现明显突变，拼宽桥梁横向联系可靠，结构整体受力较好。

图10 应变理论值与试验值比较

在中载荷载工况下，空心板最大实测应变为79με，出现在5#梁。各梁应变校验系数为0.50-0.69。偏载工况最大应变出现在边梁，为67με，各梁应变校验系数为0.61～0.83。在卸载后，桥梁相对残余应变最大为5.43%。应变测试结果表明，拼宽的4片矮箱梁与原有空心板的强度均满足设计要求。

5.2 挠度

图11 是两种工况下各混凝土空心板竖向挠度理论值和实测值的对比，可知在中载工况，老桥6#、7#、8#空心板的挠度较大，分别为7.2mm、6.9mm、6.6mm，但仍小于理论值，中载挠度校验系数0.53～0.76。偏载工况最大挠度也出现在边梁，为6.5mm，各梁挠度校验系数为0.61～0.83。卸载后，桥梁相对残余应变最大为5.56%。挠度测试结果表明，拼宽桥梁整体处于弹性工作状态，其刚度满足设计要求。

图11 应变理论值与试验值比较

6 结语

本文以实际工程为背景，提出采用刚性连接替代铰缝，并对刚接空心板进行了设计。制定了桥梁荷载试验方案。通过现场荷载试验对拼宽桥梁的整体受力性能进行了评估。可以得到以下结论。

①提出的刚接空心板的承载能力和抗裂性能满足规范要求。

②试验测得空心板梁应变和挠度与荷载作用形式较为吻合，各梁应变和挠度变化平顺，在拼宽处未出现明显的突变，表明桥梁横向联系可靠，结构整体受力较好。

③实测应变校验系数在0.50～0.83 之间，挠度校验系数为0.47～0.78，表明结构强度和刚度均满足设计要求。

④与传统混凝土铰缝相比，刚性连接横向受力性能良好，且可避免铰缝后期开裂等病害，具有较好的技术优势。